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基于CAD/CAE的壳体铸件低压铸造工艺设计
发布日期:2020-04-13  来源:特种铸造及有色合金  作者:郭凌刘锦益闰福冯义宏  浏览次数:815
核心提示:摘要主要介绍壳体铸件运用cAD/cAE计算机技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于Pn0/E软件的低压铸件三维CAD模型设计和Anycastin
      摘要主要介绍壳体铸件运用cAD/cAE计算机技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于Pn0/E软件的低压铸件三维CAD模型设计和Any—casting铸造模拟软件的cAE工艺模拟。三维cAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计,cAD模拟能够使设计者在工艺阶段预测缺陷部位,从而及时改进工艺,提高工装模具结构的合理性和准确性。

运用CAD/cAE技术对某壳体铸件进行低压铸造工艺设计和模拟,和传统铸造工艺设计手段相比,三维CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计,CAE模拟能够使设计者在工艺设计阶段预测缺陷部位,从而及时改进工艺,提高工装模具结构的合理性和准确性,有效缩短产品开发周期,保证铸件质量,满足产品使用要求,降低试制成本¨。

1铸件结构工艺性分析

1.1主要技术要求

该壳体属于复杂重要零件,承受一定的静载荷和不确定的动载荷,材料为高强度铝合金,要求铸件力学性能吼≥300 MPa,65≥1.5%,HBS≥100,试块力学性能为0rb≥334 MPa,良≥2.0%,HBs≥100,重要部位不允许存在任何铸造缺陷,见图1中的1、2、3部位,铸造尺寸公差要求为GB/T6414 C,17级。

1.2铸件结构分析

    图1为该壳体铸件的Pro/E三维实体造型。外形尺寸约为320 mm x 190 mm×150 mm,该零件结构复杂,最小壁厚为8 mm,法兰台较多,左边有一斜侧法兰,有3个方向的斜度,给工艺工装设计带来一定的难度。右边耳轴为明显局部厚大部位,厚达20 mm,因此造成了壁厚的不均匀性。

通过以上分析,发现由于该壳体是一种尺寸精度要求高、形状复杂、受力大、可靠性要求较高的铸件,故选用金属型低压铸造工艺。

2 工艺方案CAD设计

2.1分型面和浇注位置的确定

根据该壳体结构及低压铸造的工艺要求,分型面应选在大端面处,这样外形由下模形成,内腔由主型芯形成,模具整体性好,有利于保证尺寸精度,同时利于排气和提高模具寿命。根据分型面及低压铸造的特点,浇道位置选在下模的底部中心孔平面,这样有利于充型和补缩,侧法兰外缘和内孔由一侧芯整体形成。

2.2浇口设计

一般来说,低压铸件的加工余量为1—2 mm,为增加补缩通道,在浇道处中心孔内圆加工余量为10 mm,由枷O mm变成弘0 mm,在浇道起始平面加工余量为8mm,浇道大端直径为拍5 mm,起模斜度为5。在分型面设置随形集渣包,使得最先流人的冷金属积聚到集

渣包,该处开10mm×0.15mm的排气道,初始工艺模型示意图见图2。

 

 

2.3模具型腔的材料

型腔模块材料选用QT500-7,该材料热稳定性好,图l 壳体铸件的Pr。/E三维实体造型不易变形。通过以上分析,发现由于该壳体是一种尺寸精度要3低压铸造工艺参数的选择

3.1升液速度的确定

其中升液阶段的加压速度应使合金液平稳上升,升液速度一般控制在50 mm/s左右,所需加压速度为0.014MPa/s,升液时间视充型压力而定。

3.2充型压力和充型速度的确定

一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力值:P充=P:=μHγ

(1)式中,P充为充型压力,MPa;H为型腔顶部与坩埚中金属液面的距离,mm;y为金属液重度(N/mm3);μ为充型阻力系数,一般取1.2~1.5。充型速度是指充型过程中,金属液面在型腔中的平均上升速度,一般稍高于升液速度。控制不良会形成气孔和氧化夹渣,因此正确地控制加压速度是获得良好铸件的关键。

充型速度无量纲计算公式:

(2)式中,υ充min:为金属液在铸型中的(最小允许)平均上升速度(沿铸件高度),mm/s;h为铸件高度,mm;δ为铸件壁厚,mm;t浇为合金液的浇注温度,℃。

3.3结壳时间岛的确定一般地说,采用金属型时结壳时间比较短,有时可以取消结壳时间,直接增压,但考虑到该壳体有厚大部位,结壳时间选择5s。

3.4增压压力只及增压速度的确定

液态金属在一定压力下进行结晶,是低压铸造的特点之一,因此增压压力也称为结晶压力,即充型结束后,在充型压力的基础上,再使压力增加一定数值,有利于铸件补缩,可有效地消除缩孔、缩松,提高组织的致密度,但由于铸型及设备条件等因素的限制,增压压力也不能太高。

增压压力经验公式:

(3)式中,P充为充型压力,MPa;k₁为增压系数,对于金属型取后k₁=1.5—2.0。对于金属型铸件,其增压结晶阶段的加压速度应快,以保证铸件及时结晶补缩,增压速度一般控制在0.005~0.010 MPa/s。

3.5保压时间t5的确定

保压时间不足,铸件的凝固得不到充分的补缩,易出现缩孔、缩松缺陷。若保压时间过长,轻则使生产周期长、生产率下降,严重时使上部“冻住”,造成流通困难,甚至停产。生产上多以铸件浇口残余长度为依据,凭经验控制保压时间。

3.6浇注温度和模具温度的确定。目前我厂使用的低压铸造机型号为J453E,根据以上原则和铸件参考模型的尺寸,分析计算得到以下工艺参数和加压规范(见图3)。
合金浇注温度 (680±20)℃
外模预热温度 (240±20)℃
金属芯预热温度 (240±20)℃
浇口预热温度 (310±20)℃
 

4 CAE工艺模拟

 

初始方案充型模拟见图4,凝固模拟见图5。结果显示法兰端部为最后充型部位,容易窝气;左边厚大部位内部有一处明显缩孔。

改进方案:左边采用曲面分型,让法兰外缘直接带入上下型腔,只有内部圆柱芯采用侧抽,有利于排气,在中心浇口处增加3处放射状内浇道,见图6,使金属液完全能至下而上实现平稳充型,且加大补缩通道。按改进后方案对该铸件进行模拟分析没有发现缺陷,凝固模拟结果见图7。

5 Pr0/E模具设计

对改进后的工艺模型(在Pr0/E里称之为参考模型),经过拆模转化成型腔、型芯、浇注系统等模具零部件,再与设计好的模座装配成一套注射模具。同时Pro/E在拆模过程中还提供了一些必要的分析功能,如起模检测、厚度检查、模具开启以及干涉检查等。

5.1建立工件(Workpiece)

参考模型之后要建立工件(workpiece),一个简单的拉伸特征就可完成,即将来形成型腔实体的部分。

5.2模型检验(Model Check)

必须先检验模型的厚度(Thickness Check)、起模斜度(Dr出check)等几何特征,以确认成品的厚度及起模斜度是否符合设计要求。若不符合,便可及早发现并修改。

5.3设定收缩率(AppIy Shrinkage)

不同的材料有不同的收缩率,为了补正体积收缩上的误差,必须将参照模型放大。Pro/E针对这个需要提供了一套设定收缩率的工具,根据该件的材料及低压铸造特征选用1%的收缩率。

5.4建立分型面(Parting Surface)

建立分型面时首先定义各型芯分型面,最后定义主分型面。一般都是先用增加(Add)一复制(C叩y)一选择(select)一单独曲面(Indiv Su以)复制模型外表面,以生成初步的分型面,再用Modify—Add/Flat及Modi-fy-Add/Extlllde来建立破孔面,形成不带破孔的分型面,最后将所有曲面合并(Merge)在一起。在所有分型面都做完后,需要延拓到工件表面。该壳体铸件模型共6个分型面,5个圆柱芯在复制完模型表面后,均再做一个封闭旋转曲面合并后生成。主分型面比较难做的是左侧法兰分型面的分割,要用到曲线和侧像投影,然后做一个平整面合并而成,见图8。

5.5建立模具体积块(Mold Volume)及模具元件

(Mold Comp)分型面完成之后,接着就要分割工件,建立模具体积块。首先利用型芯分型面分割出5个型芯,然后用主分型面分割出上下两半型,这样将坯料拆为7个模型体积块,并将其抽取为模具元件。利用刚生成的模具元件顺利生成模拟浇注件(M01ding),说明拆模流程正确。关闭参考零件、坯料及分型面,利用Pr0/E的模具开启(Mold Opening)功能展示出开模状态,见图9。通过做干涉检查(Inte如rence Check),该模具在拔模时不会发生干涉。

5.6模座及定位元件的设计

一般而言,模座的构件大部分可利用拉伸(Protru—sion)、旋转(Revolve)及剪切(Cut)等简易的实体特征来建构,这里不做叙述,设计完成后的模具装配图见图10。

6结 语
       该模具设计完成后,直接转入CAM数控加工,仅用20天时间完成了模具制造。该壳体首次试模,共试制9件,经过化学成分分析和力学性能鉴定,其综合性能已经超出产品的设计要求。经破坏性解剖4件,内部没有缺陷,其余5件经试加装配完全达到产品的使用要求。

参考文献

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2廖敦明,陈立亮,刘瑞祥,等.铸造cAD/cAE/cAM一体化技术.铸造,2005,54(7):702~705

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6董秀琦.低压及差压铸造理论与实践.北京:机械工业出版社,2003.

7詹友刚.Pro/E2001教程.北京:清华大学出版社,2003.

8张丽桃,罗峰.Pr0/E在鼠标模具设计中的应用.cAD/cAM与制造业信息化,2004(4):4l~4

作者:郭凌   刘锦益   闰福   冯义宏
作者单位:内蒙古北方重工业集团有限公司
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